一. 固態(tài)VS 混合固態(tài)

基于硅基MEMS的激光雷達，通過硅基MEMS微振鏡的方式改變單個發(fā)射器的發(fā)射角度進行掃描，由此形成一種面陣的掃描視野。由于MEMS微振鏡是一種硅基半導(dǎo)體元器件，屬于固態(tài)電子元件，由此這種掃描方式常常被歸類到固態(tài)激光雷達。

但硅基MEMS真的是純固態(tài)嗎？

雖然硅基MEMS微振鏡區(qū)別于傳統(tǒng)的金屬機械結(jié)構(gòu)部件（電機、轉(zhuǎn)子等），避免了機械式激光雷達因內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的整體模塊體積和重量都較大引起受沖擊時慣量太大而容易致?lián)p的問題，但是，實際上硅基MEMS仍然存在微振鏡的振動，其核心結(jié)構(gòu)是尺寸很小的懸臂梁結(jié)構(gòu)——反射鏡懸浮在前后左右各一對扭桿之間以一定諧波頻率振蕩，從而反射激光器的光線。MEMS 全稱為 Micro-Electro-Mechanical System，即微機電系統(tǒng)，英文中的Mechanical已經(jīng)表明了其實際還是具有機械特性的，因此實際上MEMS激光雷達還是為機械式向純固態(tài)的一種過渡方案——混合固態(tài)。

采用硅基材料為主體的MEMS微振鏡的這種結(jié)構(gòu)設(shè)計，也為其在自動駕駛的應(yīng)用中帶來了不少瓶頸與麻煩。

二. 硅基MEMS為何遲遲難過車規(guī)

2.1同軸方案下大小兩難的鏡面尺寸

從光的接收和發(fā)射路徑來看，激光雷達有同軸和離軸兩種方案。

由于離軸方案要采用APD陣列做接收，不僅成本高，系統(tǒng)的復(fù)雜程度也會大大增加，目前市面上硅基MEMS激光雷達都采用結(jié)構(gòu)緊湊的同軸方案。

同軸掃描方案的特點是光發(fā)射通道與光接收通道共用一個對外的鏡片；激光束經(jīng)過一面穿孔的反射鏡，入射到振鏡的鏡面上。振鏡將光線反射到目標(biāo)。目標(biāo)的反射光束原路返回振鏡，再反射到穿孔反射鏡。穿孔反射鏡把目標(biāo)回波反射到接收鏡頭內(nèi)，最后由光電傳感器完成接收。

△國內(nèi)某公司硅基MEMS激光雷達同軸掃描方式

由于發(fā)射和接收的光線經(jīng)過同一面振鏡反射，同軸方案可以使用一個點狀的光電傳感器件進行接收，但是，如果要測得遠(yuǎn)，接收的光學(xué)孔徑就要大。同軸方案的劣勢就在于振鏡尺寸與接收孔徑直接相關(guān)，為保證接收到足夠光線，需要較大的振鏡鏡面尺寸，而鏡面尺寸越大則價格越貴（上千美金一個，而且一般尺寸不大于5mm），同時其對驅(qū)動振鏡振動的快軸、慢軸的負(fù)擔(dān)也更大。

當(dāng)前，從加工工藝來說，成熟工藝的硅基MEMS鏡面直徑僅1mm左右，其質(zhì)量非常輕，可靠性是沒問題的。但是，從光學(xué)角度來說，鏡面尺寸與雷達測距能力攸關(guān)，采用同軸方案的硅基MEMS鏡面直徑一般至少要5mm，否則無法同時既做發(fā)射也做接收。太小的鏡面，無法對905nm激光同時做收發(fā)，因為激光器發(fā)射出去光，需要振鏡接收回來進行處理，振鏡尺寸越大，接收的能量越多。但是，過大尺寸的硅基MEMS振鏡，為了實現(xiàn)較高的諧振頻率，對材質(zhì)的耐久疲勞度是一個非常大的考驗，并且硅基MEMS振鏡尺寸越大，越難以滿足車規(guī)的DV、PV要求的可靠性、穩(wěn)定性、沖擊、跌落的測試要求。

為何如此呢?

2.2脆弱的懸臂梁結(jié)構(gòu)

面對過大尺寸的鏡面，硅基MEMS的懸臂梁結(jié)構(gòu)實際非常脆弱，這兩對扭桿中，又細(xì)又長的為慢軸，又短又粗的為快軸，兩者同時對微振鏡進行反向扭動，外界的振動或者沖擊極易直接致其斷裂。

為什么？

首先，慢軸的諧振頻率雖然僅5~30Hz，但為了使扭轉(zhuǎn)角度大一些，其一般都做得相對細(xì)長，由此也引發(fā)了其對抗振動沖擊能力非常有限，鏡面一旦尺寸太大，慢軸所需承受的振鏡重量便越大，于是極易斷裂。

至于快軸，為了提高快軸的諧振頻率，讓微振鏡得以高速振動，快軸要做得又粗又短。做得較好的大鏡面硅基MEMS快軸諧振頻率有1KHz~2KHz，一般的也有1KHz~1.5KHz。我們?nèi)?.5KHz來算一下，要滿足車用壽命至少要5萬小時，1500x60sx60minx50000h=2700億次，即快軸要來回扭動2700億次！這是一個非常龐大的運動數(shù)據(jù)，極大的考驗材質(zhì)的壽命。而作為汽車主雷達要測得遠(yuǎn)，硅基MEMS振鏡尺寸就不能太小，由此較大的鏡面需要的偏轉(zhuǎn)量更大，又短又粗的快軸變形幅度也就更大，于是，常常發(fā)生快軸因超高頻的扭轉(zhuǎn)和大幅變形以致材質(zhì)疲勞度過大而斷裂的現(xiàn)象！而這種現(xiàn)象很可能僅數(shù)小時、甚至數(shù)十分鐘就會發(fā)生。

此外，快軸變形幅度與雷達的垂直視場角直接相關(guān)，更大的垂直視場角，也就意味著快軸需要更大的變形幅度——垂直視場角30°，快軸的變形幅度就要達到30°！

在如此“負(fù)重”下持續(xù)高頻次大幅度來回扭轉(zhuǎn)，在車載振動環(huán)境中，硅基MEMS振鏡材質(zhì)可以說是薯片般薄而脆的硅基材質(zhì)。

左圖：沒有壞的硅基MEMS 右圖：損壞的硅基MEMS

2.3車規(guī)溫度達不到

溫度也很關(guān)鍵。硅基MEMS作為半導(dǎo)體工藝，其線圈都很細(xì)地密布在鏡面背后，導(dǎo)熱性差，對溫度極為敏感。車規(guī)要求的工作環(huán)境為-40℃~85℃，硅基MEMS微振鏡在雷達的密閉機殼里面，85℃的環(huán)境溫度下雷達里面溫度至少上升20℃，所以硅基MEMS微振鏡的耐熱溫度至少要做到105℃，而當(dāng)前，國內(nèi)外都還沒有能達到車規(guī)溫度要求的硅基MEMS微振鏡。

國內(nèi)外不同硅基MEMS微振鏡參數(shù)對比

2.4 激光發(fā)射器數(shù)量少對激光雷達的影響

由于硅基MEMS微振鏡對于激光雷達發(fā)射光路的控制非常靈活，可以實現(xiàn)激光雷達線束的快速掃描，其等效線束能夠輕易突破一百線甚至是兩百線，因此，當(dāng)要獲得同等的百萬量級的點云量，硅基MEMS激光雷達需要的激光發(fā)射器數(shù)量往往比機械式或混合固態(tài)激光雷達要少很多。那么，激光發(fā)射器少對激光雷達有什么影響呢？

首先，激光發(fā)射器數(shù)量少致占空比高，會使雷達壽命減少。

以下為激光發(fā)射器廠家所提供的LD使用壽命計算公式：

L：壽命因子

L1：壽命因子1（功率）

L 2：壽命因子2（溫度）

L 3：壽命因子3（占空比）

P0：試驗條件功率

P1：使用條件功率

T0：試驗條件溫度

T1：使用條件溫度

DR0：試驗條件占空比

DR1：使用條件占空比

L＝L1×L2×L3

L1＝1/(P1/P0)1.9

L2＝1/2（T1-T0)/10

L3＝DR0/DR1

使用壽命=L* 試驗壽命

從上面的計算公式中可以看出，占空比、工作溫度、峰值功率是影響其壽命的主要原因。

占空比的意思是一個周期內(nèi)，單個發(fā)射光脈寬占整個周期的比例，其主要與重頻和脈寬有關(guān)，當(dāng)光脈寬一定時，重頻越高，占空比越大，LD的使用壽命越少。而硅基MEMS激光雷達需要的LD數(shù)量比轉(zhuǎn)鏡式激光雷達要少很多，為了獲取與轉(zhuǎn)鏡式激光雷達同樣的點云數(shù)，其必須提高重頻才能發(fā)射更多的激光點。而當(dāng)重頻越大，即占空比越大，LD發(fā)熱量越大， LD的工作溫度越高，會進一步減少其使用壽命。

即在相同的點云數(shù)量下，只考慮占空比的影響時，使用16個LD的使用壽命是使用5個LD的使用壽命的3~5倍，而當(dāng)重頻越大，即占空比越大時，LD發(fā)熱量越大，由此LD的工作溫度越高，壽命也就進一步減少。國內(nèi)某公司的激光雷達僅1-6個激光器，其雷達外部就設(shè)計了散熱風(fēng)扇也充分說明了此點。

再者，由于硅基MEMS激光雷達的接收孔徑很小，為了測得更遠(yuǎn)，只能提高發(fā)射功率，從而也將導(dǎo)致激光器壽命減少。

此外，如果其中一個激光發(fā)射器失效時，硅基對MEMS激光雷達的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于使用更多數(shù)量的LD的激光雷達。

無論是基于硅基MEMS方案還是轉(zhuǎn)鏡方案的激光雷達，其每一個LD都只負(fù)責(zé)一定的視場，整個激光雷達的視場是由多個LD負(fù)責(zé)的視場拼湊在一起連接而成，即LD數(shù)量越多，那么在某一個LD失效時產(chǎn)生的影響也就越小。對于硅基MEMS激光雷達，一個LD失效，即意味著某片視場的缺失，這對于自動駕駛而言是相當(dāng)危險的；而對于轉(zhuǎn)鏡掃描的激光雷達，一個LD的缺失會使探測到目標(biāo)上的點云數(shù)減少，但不會完全致使某片視場區(qū)域的突然間完全失效。

據(jù)悉，華為96線激光雷達LD數(shù)量由之前的8個增加到現(xiàn)在的16~18個，顯然是重點考慮過了LD的壽命問題。

2.5 硅基MEMS激光雷達采用SiPM接收器

硅基MEMS采用同軸系統(tǒng)，必然導(dǎo)致發(fā)射出口光斑小，發(fā)散角大，接收孔徑也相應(yīng)的較小。當(dāng)前，只有硅光電倍增管（SiPM）可滿足同軸方案的硅基MEMS激光雷達。SiPM接收孔徑只有4-5mm，像國內(nèi)某公司的硅基MEMS激光雷達采用SiPM做接收，發(fā)射用的LD峰值功率已達120W，乘以3ns的脈寬，其脈沖能量已高達360納焦，已遠(yuǎn)超過905nm激光人眼安全的閾值，而實際上其對10%反射率的目標(biāo)最遠(yuǎn)只能測到130m（據(jù)悉某以色列公司也是如此），同時，其鏡面尺寸已有5mm，如果采用更大的鏡面，快軸就要做得更短更粗，壽命就會更短，可見其已不能再通過提高激光功率或把鏡面做大來求得更遠(yuǎn)的探測距離。而實際應(yīng)用中，車廠的要求是最少要達到200m，未來L4、L5的自動駕駛更是要達到250m以上測出5%反射率的目標(biāo)。

此外，雖然SiPM對比APD靈敏度更高，甚至可以分辨單個光子，但是這也讓其極易受環(huán)境光影響。

SiPM內(nèi)部集成了密集的小型獨立SPAD傳感器陣列，每個傳感器都有自己的猝滅電阻。每個獨立工作的SPAD和猝滅電阻單元稱為“微單元”。當(dāng)SiPM 中的一個微單元對一個被吸收的光子作出響應(yīng)時，蓋革雪崩就會引起光電流，通過猝滅電阻以后，偏置電壓主要分壓到猝滅電阻上面去了，進而將二極管的偏置降低到擊穿以下的值，從而猝滅光電流并防止進一步的蓋革模式雪崩的發(fā)生。一旦光電電流被熄滅，二極管上的電壓重新充電到標(biāo)稱偏差值，并用于檢測后續(xù)光子，而這期間是需要一定的恢復(fù)時間的。每個微單元也可以看作是一個小電容，每次雪崩擊穿后會對其充電。

由于SiPM靈敏度很高，當(dāng)遇到強反光面，或是受強光照射后，其中的SPAD發(fā)生雪崩后產(chǎn)生的電流越大，二極管要恢復(fù)到初始狀態(tài)（即標(biāo)稱偏差值）的時間將越長，這段時間被稱為“死時間”。由于出現(xiàn)“死時間”時其對任何光都無法即時作出反應(yīng)，SiPM也就無法做到真正意義上的脈沖激光編碼了，而激光編碼正是車載激光雷達之間抗干擾的重要手段。

三. 總結(jié)

顯然，硅基MEMS激光雷達要做汽車主雷達，這條技術(shù)路線已很難走通。

目前來看符合車規(guī)要求的，全球只有兩款產(chǎn)品，分別為法雷奧SCALA1 與鐳神智能CH32線激光雷達，并且華為、禾賽等也都相繼采用轉(zhuǎn)鏡或者棱鏡的方案，可見目前可靠性最高的還是混合固態(tài)的激光雷達。FMCW以及OPA、Flash等激光雷達方案，相對轉(zhuǎn)鏡方案與MEMS方案更加不成熟，需要走的路更長，預(yù)計十年后才有可能產(chǎn)品化。